TWI405635B - 具高美妝品質之不銹鋼雷射微加工之方法 - Google Patents

Description

具高美妝品質之不銹鋼雷射微加工之方法

本發明提供一種低成本有效方式以在雷射微加工由不銹鋼製成的消費性產品時保持高美妝潤飾品質。

本申請案係2008年9月26日申請之美國專利申請案第12/238,995號之部份接續申請案。

對於大部分消費性產品，要求不銹鋼承受持久美妝潤飾，不銹鋼亦賦予包含高等級抗劃傷性、易於清潔屬性、抗褪色性等等之優越性能特性。已使用機械方法以製造諸如孔及槽之特徵部而無需極擔心損壞該等美妝潤飾。隨著特徵部尺寸越來越小，引進雷射微加工技術。當施加雷射微加工技術以在承受持久美妝潤飾之不銹鋼上產生優良特徵部時，由於用於雷射金屬交互作用之熱方法性質，該等美妝潤飾因於褪色而容易受損且因氧化及熱應力而易分層。直到今天，作為施加於強調美妝性能之不銹鋼的雷射微加工仍係一相對新的技術且在此領域很少公佈。

本發明之實施例提供一種雷射微加工具有一高美妝潤飾品質表面及一相對表面之方法或製程。一實施例包含在使用一雷射微加工該零件之前，將一保護塗層施加至該高美妝潤飾品質表面及/或該相對加工表面。

在一種雷射微加工具有一高美妝品質表面及一相對表面之一不銹鋼零件之方法之另一實施例中，其改良處包含在使用一雷射微加工該零件及使用該雷射微加工此表面之前，將一保護塗層施加至待加工的該等表面之一者。該雷射係一奈秒脈衝寬度雷射或一微秒脈衝寬度雷射。該保護塗層包括一金屬材料，該金屬材料包含鋁、銅及不銹鋼之至少一者。

當連同該等隨附圖式閱讀下文描述時，熟習此項技術者將明白表示本發明之此等及其他應用之變更與細節。

本文之描述參考隨附圖式，其中整個若干圖式中，相同的參考數字亦指相同部件。

當使用雷射微加工具有美妝潤飾之不銹鋼時之一挑戰係產生的該等特徵部週邊之褪色，該褪色使得該消費性產品外觀不可接受。相信褪色係歸因於在該雷射微加工處理期間之該氧化，該氧化加熱該金屬表面足以顯著提高以來自空氣之氧氣及氮氣對該金屬表面之氧化或氮化。儘管可將該等待加工零件放入真空中或放入充滿惰性氣體之一腔室中以隔離該等零件以免氧化或氮化，或使用具有極短脈衝寬度之一雷射(諸如一ps-或fs-雷射源)以顯著限制該熱製程，但是該成本可為極高。此等解決方法亦可使得該製程極不方便。

另一挑戰係濺落的碎片。亦即，如圖1所示，當由一高功率雷射22雷射加工該金屬基板或零件10(在此情況下為不銹鋼)時，大量熔融材料10a自該處理區域彈出並沈積在緊靠一基板表面16附近。熔融材料10a係濺落的碎片且包括以極高速及/或在或超出零件10之該熔化溫度移動之粒子。因為大體上需要保持該處理表面之該等美妝品質，此濺落的碎片之出現亦可使得所得消費性產品之該外觀不可接受。短脈衝寬度雷射亦可用於解決此問題，其中該材料移除過程係更多透過昇華且更少透過熔化。上文提到的該真空或一輔助氣體亦可用於防止碎片回落在該處理區域上。如所提到，此等解決方法增加成本並減少便利。該零件之後清洗過程以移除仍黏在該表面上之該等碎片係一選項。然而，此再次增加成本並減少便利，且未解決該褪色問題。

本發明之一實施例提出在該金屬零件之一美妝側上施加一保護塗層以在一雷射微加工處理期間將該零件與空氣實體地隔離。該保護塗層亦可經施加至該零件之該相對側以減少碎片及褪色。在施加一有機保護塗層之情況下，其亦作為一犧牲層以藉由歸因於強雷射輻射之碳化及氧化而阻擋/消耗空氣中之氧氣，即使該保護塗層在低強度下對於雷射束為相對透明。

該保護塗層可為諸如黏合劑聚合物之一有機材料、或諸如陶瓷之無機材料。該保護塗層可以剛性形式(舉例說明但非限制，諸如一乾薄膜膠帶)、或以液體形式(舉例說明但非限制，諸如一黏合劑、一蠟或厚抗蝕劑)施加。視該零件之幾何形狀而定，該保護塗層可經由旋塗或噴霧而施加。透明膠帶係一合適保護塗層之一良好實例。在半導體工業中使用透明藍色膠帶以固持晶片，且透明藍色膠帶係一合適保護塗層之另一良好實例。在一實施例中，該塗層對於該施加的雷射束應為極透明，相對於該零件提供足夠附著強度，且具有介於大約5密耳與大約10密耳之間包括5密耳與10密耳之厚度。根據本發明之一實施例之該方法顯著緩解一雷射之該等需求，使得一規則的奈秒脈衝寬度雷射、或微秒脈衝寬度雷射可滿足微加工具有高品質美妝表面潤飾之金屬零件之該目的之該等需求。該方法已在實驗室中經用於鑽孔及切割具有美妝潤飾之不銹鋼零件並證明為成功。該方法提供一容易、低成本且無需一昂貴的短脈衝寬度雷射之方法。

參考圖2，金屬零件10之一簡化示意圖，顯示(舉例說明但非限制)諸如一不銹鋼零件之該金屬零件10具有在一第一或前側14上之一高品質美妝表面12及在一第二、後或背側18上之另一表面16。一保護塗層20位於零件10之至少一表面12、16上。一雷射22係用於微加工具有保護塗層20之零件10。雖然雷射22係經顯示為鑽孔第二表面16，但在一些實施例中雷射22亦可鑽孔第一表面12。保護塗層20可經施加至零件10之高美妝潤飾品質表面12以在使用雷射22微加工零件10之前將表面12與空氣物理性地隔離。

保護塗層20對於在來自雷射22之低強度下之一雷射束可為相對透明。保護塗層可為一有機材料、或無機材料，並作為一犧牲層以藉由歸因於強雷射輻射之碳化及氧化而阻擋/消耗空氣中之氧氣。舉例說明但非限制，一有機材料保護塗層20係一黏合劑聚合物。舉例說明但非限制，一無機材料保護塗層20係一陶瓷材料。

保護塗層20可視特殊零件幾何形狀之該等處理成本而以各種方式施加至零件10。舉例說明但非限制，該保護塗層20係以諸如一乾薄膜膠帶之一剛性乾形式施加，或可以一液體形式施加。該乾薄膜膠帶保護塗層20可選自由下列組成之群：一透明膠帶、一透明藍色膠帶及其等任何組合。舉例說明但非限制，一液體形式保護塗層係選自由下列組成之群：一黏合劑、一蠟、一厚抗蝕劑、及其等任何組合。保護塗層20可經由選自由下列組成之群之一施加方法而施加：旋塗、噴霧、及其等任何組合。保護塗層20對於一來自雷射22施加的雷射束為極透明。保護塗層20具有(例如)介於大約5密耳與大約10密耳之間之厚度，包括5密耳與10密耳。保護塗層20可具有固有黏合劑性質，或具有足夠附著強度之一額外黏合劑介面24可用於附接至零件10而不在處理期間分層。保護塗層20可經施加至任一表面12、16以減少碎片及/或褪色。用於微加工該零件10之該雷射22可選自由下列組成之群：一奈秒脈衝寬度雷射及一微秒脈衝寬度雷射。

現參考圖3，繪示一簡化方法圖。根據本發明之一實施例之一方法可包含繪示的該等處理步驟之一者或多者。舉例說明但非限制，該方法包含在步驟30將一保護塗層20施加至一不銹鋼零件10之至少一表面12、16，以在使用一雷射22微加工該零件10之前，與空氣物理性地隔離該表面12、16。如步驟32所示，可犧牲保護塗層20以藉由歸因於強雷射輻射之碳化及/或氧化而阻擋/消耗該空氣中之氧氣。在步驟34，使用諸如由奈秒脈衝寬度雷射及微秒脈衝寬度雷射組成之群選出之一者之雷射22處理零件10。根據特定實施例，在此雷射處理期間需要包含一習知惰性氣體輔助。接著可在步驟36視保護塗層20的材料及零件10之材料而定依據已知方法移除保護塗層20之任何剩餘部分。

當使用一奈秒雷射作為雷射22時，零件10之鑽孔可在任一表面(亦即，美妝表面12或其相對背表面16)進行。上文之描述提供保護塗層20可經施加至零件10之表面12、16之一者或兩者，包含接收來自雷射22之該雷射輻射之表面12、16之一者。然而，最需要將保護塗層20施加至該鑽孔表面，不管該鑽孔表面為該美妝表面12或為該背表面16。因此，為此目的，選擇對於該雷射束實質上透明的該保護塗層20材料。實例包含一黏合劑聚合物、一些種類透明膠帶等等。併入此一保護塗層20及使用一惰性輔助氣體，減少該上述褪色問題。然而，用於在表面16(在測試中為該鑽孔表面)上之保護塗層20之此等材料之使用，並未充分保護該表面免於熔融粒子10a。此等粒子10a引起該薄保護塗層20之熔化。用於表面16之一較厚保護層20係一可能解決方法。

另一解決方法係代之使用不同材料用於保護塗層20，此處為一金屬材料。與該先前描述的方法相反，該金屬材料對於該雷射束為不透明。就此，代之穿過保護塗層20，當金屬保護塗層20係經施加至該鑽孔表面時，雷射22必須實際切穿保護塗層20。因此，保護塗層20之該金屬材料應足夠薄以致處理使穿過該保護塗層20到達零件10實質上不增加總體處理時間。此外，該金屬材料與雷射22足夠好耦接使得雷射22可加工穿過保護塗層20並到達零件10底部。最後，該材料為足夠厚及/或具有足夠高熔點以耐受該濺落的碎片。亦即，該材料並不使包括該濺落的碎片之該等超熱粒子10a燃燒穿過其等路線及將其等自身嵌入在底部有保護塗層20之零件10上。

該材料可為一金屬箔或膠帶，舉例而言，一銅箔、一鋁箔、一薄片不銹鋼、或相似物。金屬保護塗層20可經製成足夠薄而用於加工且具有高熔點以耐受粒子10a。舉例而言，鋁之該熔點係660℃，銅之該熔點係1084℃，及鋼之該熔點係1370℃。保護塗層20最需要係經施加至該鑽孔表面，無論該鑽孔表面為高品質美妝表面12或為背表面16。或者，在該等表面12、16上可不包含保護塗層20，或表面12、16兩者可經覆蓋有如保護塗層20之該金屬材料。

當使用一奈秒雷射作為雷射22時，可在如相對於該聚合物保護塗層20所描述般，在表面12、16任一者上進行包含金屬保護塗層20之零件10之鑽孔。當使用一微秒雷射時，與聚合物保護塗層20相反，較佳於鑽孔表面上使用金屬保護塗層20且該鑽孔表面係該美妝表面12，但此非必要。

在一實施中，使用具有同軸氮氣氣體輔助之一IPG 700W IR雷射以在一500微米厚的不銹鋼零件上鑽孔。預潤飾該不銹鋼使得該表面具有高美妝品質，即，該零件具有一極磨光表面。圖4顯示未使用本文教示的保護塗層時因濺落的碎片導致表面損壞。相比之下，如圖5所示，當使用一保護塗層執行該相同處理時，顯著減少該表面損壞。亦即，同時最小化褪色及濺落的碎片。與圖5之該施加使用的該保護塗層為抗著該鑽孔表面緊繃拉伸的50微米厚鋁箔。此測試證明可使用該等具有及不具有該保護塗層之相同處理參數而鑽孔該等極相同孔。因此，該金屬材料與該處理雷射足夠良好地耦接以加工穿過該保護塗層而實質上並不增加總體處理時間。此外，使用之該保護塗層可實際上自該零件表面消除濺落的碎片。

由於在此測試中該零件係不銹鋼，包括該濺落的碎片之超熱粒子溫度至少為1370℃。但是，具有僅為660℃之熔點之該鋁箔可「阻擋」此等粒子。不受理論局限，據信儘管該濺落的碎片為熱，但是包括該濺落的碎片之該等粒子相當小。該等粒子直徑小於500微米並可能更小。因此，隨著該等粒子撞擊該保護塗層20且開始穿洞穿過該保護塗層，該等粒子迅速失去其等熱量。只要該等粒子變得「黏著」在該保護層內且未穿過該保護層至該零件表面，該金屬材料據稱足夠厚並具有一足夠高熔點。此外，太厚層之金屬材料亦非所需，因為其實質上增加該鑽孔/切割工作量。使用0.001吋銅帶及0.001吋不銹鋼箔之測試亦顯示褪色及濺落的碎片之所需減少。

與改良表面外觀之其他方式相比較，本發明之實施例提供顯著益處。舉例而言，由於二主要原因，使用一短脈衝寬度以消除或實質上減少濺落的碎片並非可行。第一，此等雷射通常不具有需要用於快速處理金屬零件之該等功率等級，且第二，與該等雷射長脈衝寬度對應體相比，該等雷射實質上趨於更加昂貴。另一可能為使用空氣/氣體噴射及/或真空以防止碎片回落在該零件表面上。此在其中包括該濺落的碎片之該等粒子具有高動量之此等情況下並非完全實用，其使得幾乎不可能單獨使用空氣/氣體流而實質上改變該等粒子的軌跡。最後，在許多情況下該零件之後清潔方法為非所需，因為其將一附加步驟增加至零件生產，並減少總體生產量。此方法在相關該零件具有高度磨光表面處亦為不可行，該方法消除硬「擦洗」之可能性並趨於突顯出該等大部分較小表面瑕疵。本發明之實施例係相對便宜、簡單且更有效。保護該零件之該美妝表面同時完成高品質切割。

儘管已連同特定實施例描述本發明，應瞭解本發明係不限於該等揭示的實施例，但正相反，希望涵蓋包含在附屬申請專利範圍內的各種修改及相等配置，該等附屬申請專利範圍應與該最寬廣解釋一致以便在法律容許下包圍所有此等修改及相等結構。

10．．．零件

10a．．．熔融材料

12．．．美妝表面

14．．．第一側

16．．．表面

18．．．第二側

20．．．保護塗層

22．．．雷射

24．．．黏合劑介面

30．．．步驟

32．．．步驟

34．．．步驟

36．．．步驟

圖1係具有一高品質美妝表面之一不銹鋼零件及用於微加工該零件之一雷射之一簡化示意圖；

圖2係具有一高品質美妝表面之一不銹鋼零件、在該零件之至少一表面上之一保護層及用於微加工該零件之一雷射之一簡化示意圖；

圖3係繪示本發明之一實施例之一簡化方法流程圖；

圖4係在不存在本文教示的一保護層時穿過一500微米厚不銹鋼零件之一後製程零件表面鑽孔的具有350微米直徑之孔之一放大影像；及

圖5係使用本文教示的一保護層時穿過一500微米厚不銹鋼零件之一後製程零件表面鑽孔的具有350微米直徑之孔之一放大影像。

10．．．零件

12．．．美妝表面

14．．．第一側

16．．．表面

18．．．第二側

20．．．保護塗層

22．．．雷射

24．．．黏合劑介面

Claims (17)

1. 一種雷射微加工具有高美妝潤飾品質表面及相對表面之金屬零件之方法，其改良處包括：在使用雷射微加工該零件之前，將保護塗層施加至該高美妝潤飾品質表面及該相對表面之至少一者；及在微加工該零件後，移除該保護塗層之任何剩餘部份，其中該金屬零件包括不銹鋼，及使用該雷射微加工該零件包含微加工該零件，以形成完全延伸穿過該零件及該高美妝潤飾品質表面之孔洞。
2. 如請求項1之方法，其中該保護塗層係施加至該高美妝潤飾品質表面，該保護塗層係充分薄使得加工具有該保護塗層之該金屬零件之處理時間約等於加工不具該保護塗層之該金屬零件之處理時間，及該保護塗層係充分厚以防止濺落的碎片燃燒穿過該保護塗層而嵌入該美妝潤飾品質表面及由具有足夠高熔點之材料製成以防止濺落的碎片燃燒穿過該保護塗層而嵌入該美妝潤飾品質表面。
3. 如請求項2之方法，其中該保護塗層之該材料係金屬材料。
4. 如請求項1之方法，其中該保護塗層係銅箔、鋁箔及不銹鋼薄片之至少一者。
5. 如請求項1之方法，其中該保護塗層係經施加至該高美妝潤飾品質表面且包括有機材料及無機材料之一者並作為犧牲層以在雷射輻射期間自該高美妝潤飾品質表面阻 擋/消耗空氣中之氧氣。
6. 如請求項5之方法，其中該有機材料係黏合劑聚合物。
7. 如請求項5之方法，其中該雷射係奈秒脈衝寬度雷射。
8. 如請求項1之方法，其中該保護塗層係施加至該高美妝潤飾品質表面的第一保護塗層且包括金屬材料。
9. 如請求項8之方法，其中該雷射係微秒脈衝寬度雷射，及其中該高美妝潤飾品質表面係在相對於該雷射之雷射束之該零件出口側。
10. 如請求項8之方法，其中該第一保護塗層包括銅箔、鋁箔及不銹鋼薄片之至少一者。
11. 如請求項8之方法，其進一步包括：將第二保護塗層施加至該相對表面。
12. 如請求項11之方法，其中該第二保護塗層包括透明膠帶及透明藍色膠帶之至少一者。
13. 如請求項1之方法，其中該雷射包括奈秒脈衝寬度雷射及微秒脈衝寬度雷射之至少一者。
14. 如請求項1之方法，其中該保護塗層係施加至該相對表面的第一保護塗層及施加至該高美妝潤飾品質表面的第二保護塗層，該第一保護塗層及該第二保護塗層之至少一者包括金屬材料。
15. 一種雷射微加工具有高美妝潤飾品質表面及相對表面之金屬零件之方法，其改良處包括：在使用雷射微加工該零件之前，將第一保護塗層施加至該高美妝潤飾品質表面，該保護層包括包含鋁、銅及 不銹鋼之至少一者之金屬材料；使用該雷射微加工該高美妝潤飾品質表面或該相對加工表面，直至形成完全穿過該零件之孔洞，該雷射包含奈秒脈衝寬度雷射及微秒脈衝寬度雷射之一者；及在該微加工後，移除該保護塗層之任何剩餘部份。
16. 如請求項15之方法，其進一步包括：在使用該雷射微加工該零件之前，將第二保護塗層施加至該相對表面；及在該微加工後，移除該保護塗層之任何剩餘部份。
17. 如請求項16之方法，其中該第二保護塗層包括該金屬材料及黏合劑聚合物之一者。